撞沟水库大坝除险加固方案探析

王玮琳

(商洛市水电勘测设计院，陕西 商洛 726000)

受历史建设条件限制，加之多年运行，撞沟水库大坝渗漏严重。为了确保水库安全运行，需对大坝除险加固方案进行分析。

1 概 况

撞沟水库枢纽工程位于洛南县古城镇蒋河村，是以灌溉、防洪为主，兼顾人畜饮水和养殖等任务的综合性小(2)型水库。水库坝址以上控制流域面积3.88 km2。总库容14.7万m3，有效库容11.4万m3，死库容3.3万m3，设计洪水位116.15 m，校核洪水位116.65 m。大坝坝型为浆砌石拱坝，坝顶高程117 m，坝底宽3 m，坝底高程96.3 m，最大坝高20.7 m，坝顶长59 m，坝顶宽1.5 m，坝体内为0.5 m厚素混凝土心墙，大坝迎水面坡比1∶0。设施灌溉面积80.00 hm2，有效灌溉面积66.67 hm2。

2 大坝主要问题

撞沟水库于1983年12月建成蓄水，为当地社会经济发展和农业灌溉发挥了显著作用。由于受到当时施工机械及施工水平的限制，前期工作不到位，采取大会战形式，组织群众土法建设，没有质量控制措施，水库目前处于带病运行，大坝渗漏严重[1-3]。主要问题为：

(1)大坝偏低，不满足防洪要求。根据现场调查，大坝坝顶超高不满足要求，坝顶高程偏低、不能满足大坝防洪标准，需进行加高加固处理。

(2)坝体施工质量差。坝体灰缝脱落，座浆不实，坝后通体渗水，局部渗漏严重，砂浆析出物痕迹明显；经调查，上下砌体施工中，大量砂浆抛洒进混凝土墙体，未经清理，形成局部薄弱部位，导致坝体渗水严重。

(3)坝体变形明显。坝体迎水面凹凸不平，砌石有翘曲变形现象；坝体背水面局部向下游鼓凸，尤其在溢流堰下方2 m处向外变形明显，说明工程质量存在严重隐患。

3 坝体应力和稳定复核

为了分析大坝安全性，现从死水位、正常蓄水位、校核洪水位及地震四种工况对坝体应力、坝体稳定进行复核。

3.1 现状坝体应力复核

3.1.1 断面工况

根据《砌石坝设计规范》(SL 25—2006)和撞沟水库坝体实际情况，选取最大坝高断面，采用拱冠梁法，对4种不利工况下坝体的边缘应力是否满足强度要求进行校核。

工况1：死水位情况(104.0 m)：自重+静水压力+扬压力+淤砂压力+浪压力+冰压力+设计正常温降。

工况2：正常蓄水位情况(115.3 m)：自重+静水压力+扬压力+淤砂压力+浪压力+冰压力+设计正常温降。

工况3：校核洪水位(116.85 m)：自重+静水压力+扬压力+淤砂压力+浪压力+动水压力+设计正常温升。

工况4：地震情况：自重+静水压力+扬压力+淤砂压力+浪压力 +设计正常温降+地震作用。

3.1.2 应力计算分析

本文采用适用于小型水库的拱冠梁法(详见 《水工建筑物》第四版 林继镛，著 P173)，分别计算高程115.30 m、104.46 m、96.30 m处的拱圈，校核梁、拱冠和拱端的边缘应力是否满足强度要求。

表1 拱冠梁法计算拱和梁的应力 MPa

规范设计规定，在各种荷载(地震荷载外)组合下，坝基面垂直正应力应小于砌石体容许压应力和地基容许的承载力。结合本工程所用材料，砌石体容许压应力为4.0 MPa，容许拉应力为2.0 MPa。由表1可以看出，所有工况作用下，所有高程拱圈的上下游边缘压应力均小于砌石体的容许压应力4.0 MPa；大部分高程拱圈的拉应力也小于砌石体容许拉应力2.0 MPa。但在工况3、工况4作用下，第3层拱圈的拱冠梁上游面拉应力超过了砌石体的容许拉应力2.0 MPa，说明此时拱坝是危险的，需采取加固措施。

3.2 现状坝体稳定复核

3.2.1 计算断面及工况

针对撞沟水库左坝肩山体单薄，易引起坝肩变形的特点，需分析左坝肩的稳定情况，计算断面与工况和前面坝体应力分析的工况相同。

3.2.2 结果分析

死水位、正常蓄水位、校核洪水位及地震4种工况下，坝肩稳定计算结果见表2。

由表2可见，在校核洪水位及地震情况时运用抗剪强度及抗剪断强度公式计算的稳定系数均小于规范允值，说明左坝肩稳定性不符合要求，需采取加固措施。

4 大坝加固方案分析

4.1 坝顶设计方案

因为坝顶高程偏低，不能满足大坝防洪标准，考虑两种解决方案：方案一：加高大坝，以满足防洪标准要求。方案二：拆除部分挡水坝段以加宽溢流堰长度。如果拆除挡水坝段满足泄洪要求，要求溢流净宽度为35 m，而坝顶长度仅为56.6 m，已超过大坝宽度的一半。当坝顶泄流时，对下游两岸的坝脚及放水设施均造成冲刷，不利于坝脚的稳定。方案一加高坝顶仅0.5 m，由此引起的工程量以及水位增加等，对坝体稳定影响极小，故采用加高坝顶方案。现状坝顶高程117.0 m，校核洪水位116.85 m，再加上超高，高于现状坝顶高程，采取加高防浪墙方案，加高后的坝顶高程117.50 m。

上游坝面施工质量较差，凹凸不平，砂浆脱落，部分石块松动。下游砌石面勾缝砂浆基本脱落，坝体渗漏。根据坝体应力计算，坝体上游面有拉应力产生，可能导致拉裂破坏。对于以上问题，经过综合分析比较，确定在坝体上、下游面增设混凝土防渗面板，这样既解决了坝体渗漏问题又增加了坝体强度。同时在下游坝面采用M7.5水泥砂浆勾缝。

4.2 坝体加固处理方案

4.2.1 坝体防渗处理

撞沟水库坝体迎水面有蜂窝、麻面现象，存在裂缝和渗漏通道。迎水面浆砌石在施工时留下多处架孔，存在局部砂浆充填不足等缺陷；坝体层状砌筑，层间结合不紧密，有渗水现象。

根据大坝工程现状及应力计算成果，为使坝体满足稳定、渗漏等规范相关要求，本次对坝体上游面设计采用挂网浇筑C20混凝土面板进行加固处理，浇筑混凝土层厚0.4 m，分序间歇进行施工。坝面锚筋直径Φ12 mm，按间距2.0 m×2.0 m梅花状布置，表面挂网钢筋直径Φ10 mm，布置间距为500 mm，防渗面板下部原应从坝基开始，但考虑到施工时清淤难度，本次采用上游面和下游面同时增设混凝土面板的处理方法。迎水面防渗面板上部与坝顶齐平，下游面至101.4 m高程处，横向每隔10 m设一道伸缩缝，伸缩缝间采用橡胶止水带止水；下游面面板顶部从102.4 m起，底部至96.3 m高程处，这样既可解决坝体强度问题也可解决渗漏问题。

根据工程地质勘察，坝体整体质量比较均匀，但存在两处明显的软弱异常区，上部异常区埋深为0～8 m，水平距离(从右岸向左岸)在17～40 m之间(通过挂网喷护混凝土进行防渗)。下部异常区在坝基与左岸坝体结合部位，埋深约10～15 m，水平距离在40～53 m(从右岸向左岸)之间。坝体地震映像图同时反映左岸坝基高程100.0～105.0 m之间坝基岩体比较破碎，建议对此区间进行灌浆加固。灌浆材料采用500#硅酸盐水泥。

4.2.2 坝基防渗处理

大坝施工时清除了坝基表面的强风化岩体，坝基岩体为弱风化花岗岩，岩体的基本质量级别Ⅲ级，属AⅢ2类坝基工程岩体，岩体弱～微风化带，岩体透水率q<10 Lu，属弱透水性，本次不做处理。

4.2.3 坝肩

左坝肩坝顶以上高度100 m，坡角约30°。基岩裸露，岩性为花岗岩，120 m高程以上强风化厚度约1～3 m，未见断层存在。裂隙走向与拱座受力方向交角较大，大部分结构面交线倾向与坡面倾向相反。其中②④结构面交线倾向与坡向相同，倾角小于坡角，结构面切割后存在不稳定块体，对边坡稳定不利。

本次对左坝肩采用帷幕灌浆方案进行加固处理，以解决坝肩岩石破碎带、渗漏、影响坝肩稳定等问题。固结灌浆轴线长度26 m(桩号0+031～0+057 m段)，布置灌浆孔14个，灌浆孔轴线位于左坝肩坝顶中心。灌浆孔为单排孔，孔距均为2.00 m，钻孔深度17.90～30.60 m(最小高程85.00 m)。本次灌浆后的坝肩透水率要求<5 Lu，作为灌浆质量控制标准。

该坝肩灌浆处理工程总钻孔16个(包括2个检查孔)，总进尺424.10 m，灌浆段长276.70 m(包括检查孔)，压水试验6段次。针对左坝肩山体单薄，坝肩抗滑稳定不满足规范要求等情况，本次拟在左坝肩下游岩体上增设M7.5浆砌石重力墩，高程从105.0～115.3 m。

4.3 加固后坝体应力分析

由表1可以看出，在工况3、工况4作用下，第3层拱圈的拱冠梁上游面拉应力超过了砌石体的容许拉应力2.0 MPa，说明此时拱坝是危险的，需采取加固措施。经比较计算，在坝体下游面坝底层拱圈加厚1.0 m，坝体应力满足规范要求。计算结果见表3。

4.4 加固后稳定分析

死水位、正常蓄水位、校核洪水位及地震情况这四种荷载组合下坝肩稳定计算方法如前，结果见表4。

表4 各种荷载组合右坝肩稳定计算成果

由表4可见，四种工况下左坝肩抗滑稳定安全系数均大于规范允许值，说明左坝肩稳定性符合要求。

5 结 语

经过分析探讨，撞沟水库大坝问题主要集中在坝顶、坝体、坝肩，通过坝顶加高，坝体、坝肩防渗加固处理，水库大坝抗滑稳定性大大提高，符合要求，为水库大坝除险加固提供了科学依据。